Überblick über Sensoren

Allgemein bezeichnet „Sensor“ jedes technische Bauteil, das selbstständig bestimmte physikalische oder chemische Größen und Eigenschaften in der Umgebung oder von Objekten erfasst. Dies kann beispielsweise die Temperatur, Helligkeit oder auch Beschleunigung sein. In diesem Sinne ähneln Sensoren also unseren Sinnesorganen – nur, dass sie im Gegensatz zu letzteren auch Dinge registrieren, die für Menschen sonst unsichtbar blieben oder zu gefährlich wären. Wichtige Eigenschaft von Sensoren ist die Konvertierung von Messdaten in Signale oder visuelle Anzeigen. So können diese dann von einem Menschen oder einem elektronischen Gerät sinnvoll interpretiert werden. Ein Sensor ist somit auch immer ein Wandler, also ein Gerät, das eine Form der Energie oder eines Impulses in eine andere umwandelt.

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Arten von Sensoren, die jeweils eine andere physikalische Größe messen, sowohl elektronisch als auch analog. Auf die wichtigsten Typen gehen wir weiter unten ein. Zunächst genügt es festzuhalten, dass alle Sensoren, ungeachtet von der eigentlichen Funktionsweise, über ein Merkmal verfügen müssen: Linearität. Am einfachsten lässt sich diese Eigenschaft anhand des Quecksilberthermometers aufzeigen. Das Thermometer zeigt innerhalb der Temperaturbereiche, auf die es ausgelegt ist, physikalische Veränderungen im Detektormaterial, in diesem Fall Quecksilber. Die Veränderungen der Umgebungstemperatur wirken sich direkt proportional zu Veränderungen des gemessenen Objekts aus und können bequem auf einer Skala abgelesen werden.

Allerdings fehlt dem Flüssigkeitsthermometer noch ein wichtiges Element: die eingangs erwähnte Konvertierung. Diese kommt bei der moderneren Variante, dem Digitalthermometer, ins Spiel. Der Temperaturfühler dieses Messgeräts reagiert ebenfalls linearer, indem sich Temperaturveränderungen direkt proportional auf die Ausgangsspannung auswirken, die das entsprechende Messergebnis liefern.

Genau so wenig wie es den Sensor gibt, existieren eine Reihe von technischen Lösungen zur Erfassung von Daten. Hier ein kurzer Überblick über einige der wichtigsten Meilensteine, die zur Entwicklung moderner Sensoren führten:

In der industriellen Fertigung sind Sensoren unabdingbar, zum Beispiel um rechtzeitig Warnsignale zu geben oder, in Verbindung mit Sicherheitsschaltern, zur sicheren Abschaltung. So kann eine Beschädigung von Gerätschaften oder Verletzung des Personals rechtzeitig verhindert werden. Sie leisten somit einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit. Weitere Einsatzmöglichkeiten für Sensoren sind:

• In automatischen Türöffnungssystemen in Sicherheitszonen, um den Zugang auf Personen zu beschränken, die den erforderlichen RFID-Chip tragen.
• Zur Erkennung fester Gegenstände mittels fotoelektrischer Sensoren, z.B. in Einweglichtschranken in Lastenaufzügen.
• Infrarot-Temperatursensoren und Wärmebildkameras zur Suche von Störungen, sowie zu vorbeugenden Instandhaltungsmaßnahmen.

Von induktiven bis zu kapazitativen Sensoren– technische Lösungen zur Überwachung und Automation gibt es in Hülle und Fülle. Wir stellen Ihnen die wichtigsten vor:

RFID-Sensoren

RFID-Sensoren senden und empfangen per Funktechnologie verschlüsselte Daten an und von RFID-Chips. Sie können Informationen auf kurze Entfernung erfassen (wie beispielsweise Identifikationschips) aber auch über größere Entfernungen, beispielsweise für die Identifizierung von Produkten in Warenlagern oder im Güterverkehr. Dadurch Beschleunigen sie die Logistik immens. Weitere Informationen finden Sie in unserem Ratgeber zu RFID-Sensorik.

Temperaturfühler, von PT-Sensoren bis hin zu Thermoelementen, messen präzise Änderungen der Wärmeenergie eines Körpers oder einer Flüssigkeit und wandeln die Messungen in eine bestehende Temperaturskala um. Entscheidend bei der Auswahl ist die der für den Gebrauch vorgesehene Messbereich. Außerhalb dieser Bereiche können sich ungenaue oder verfälschte Werte ergeben (d. h. ihre Linearität lässt nach).

Kontaktlose Thermometer überwachen die Temperaturen beispielsweise mittels Infrarottechnologie. Das hat den Vorteil, dass der Sensor nicht das Messergebnis durch Berührung verfälscht.

Man unterscheidet Sensoren zur Messung von Feuchtigkeit in zwei Arten:

Feuchtemessgeräte messen die Änderungen, die durch die Luftfeuchtigkeit in einem Material hervorgerufen werden. So können beispielsweise Feuchteschäden in Gebäuden frühzeitig erkannt werden, um Schimmelbildung zu vermeiden.

Hygrometer hingegen messen den Anteil von Feuchtigkeit in der Luft. Dabei ermitteln sie die relative Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre, also den Anteil an tatsächlichem Wasserdampf im Vergleich zur möglichen Sättigung bei einer bestimmten Temperatur. Dieser Anteil wird als Prozentsatz oder in Gramm pro Kubikmeter angegeben. Sie wollen mehr über Feuchtemessgeräte und Hygrometer erfahren? Dann schauen Sie in unseren Ratgeber zum Thema „Feuchte messen“!

Beschleunigungssensoren und Gyroskope erfassen Änderungen in der Geschwindigkeit eines Objekts oder dessen Rotation relativ zur Schwerkraft. Elektrische Veränderungen in piezoelektrischen Kristallen oder Kapazitätsvariationen zwischen elektrisch empfindlichen Mikrostrukturen registrieren solche Bewegungen und übersetzen sie in elektrische Signale. Für mehr Details schauen Sie am besten in den Ratgeber zum Thema Accelerometer.

Diese werden in Sicherheitssystemen sowie auch in Fertigungsverfahren eingesetzt, um Bewegungen von Objekten (wie beweglichen Bauteilen oder Fahrzeugen) oder nicht autorisierten Personen zu erfassen. Es gibt zwei große Kategorien von Bewegungssensoren, die beide eine ähnliche Palette verschiedener Technologien umfassen: Die lokale Abtastung konzentriert sich auf einen festgelegten Bereich und schafft durch Aussendung eines Strahls an einen Detektor eine Art „Elektrozaun“. Bewegt sich ein Mensch, Objekt oder Tier in diesen Strahl, wird er unterbrochen und der Zaun wird beschädigt.

Die Bereichsabtastung hingegen verwendet ein „Sichtfeld“ und registriert jegliche Bewegung in diesem Bereich.

Stromsensoren

Messen die Stromstärke in Kabeln und Stromschienen, genaugenommen das Magnetfeld in einem stromdurchflossenen Leiter. Der Anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt) tritt nahezu verzögerungsfrei ein, sodass auch sehr schnelle Stromänderungen hochdynamisch erfasst werden.

Füllstandsensoren und Durchflusssensoren

Das Flüssigkeitsmanagement ist wichtiger Bestandteil vieler Industrien. Dazu gehört auch die Überwachung der Durchflussmenge und des Füllstandes. Letzterer verwendete beispielsweise einen Schwimmer oder einen kontaktlosen Ultraschallsensor, der von der Oberfläche des Mediums reflektierte Ultraschallimpulse nutzt, um den Füllstand zu messen. Weitere Infos finden Sie hier.

Drucksensoren

Vereinfacht gesagt ist ein Drucksensor ein Instrument, das Druck wahrnimmt und in ein Messsignal konvertiert, meistens ein analoges elektrisches Signal. Die Standard-SI-Einheit ist Pascal (1 Pascal = 1 Newton pro Quadratmeter).

Näherungssensoren können verschiedenste Objekte, oder Ziele, in ihrer näheren Umgebung erkennen, indem sie ein Feld oder einen Strahl aus elektromagnetischer Strahlung emittieren und die Änderungen des zurückgeworfenen Feldes bzw. der Strahlen messen. Auf diese Weise helfen sie Abstände zu bewahren und Hindernisse rechtzeitig zu erkennen.

Sensoren verwenden bei der Ausgabe Transistoren. Abhängig von der Anwendung und der Ausgabeart stellt sich bei der Wahl des Sensors also zusätzlich die Frage: benötigt man einen Sensor mit NPN- oder PNP-Ausgang?

Zuerst einmal muss der Standort in Betracht gezogen werden. Während in Europa typischerweise PNP-Transistoren genutzt werden, dominiert im asiatischen Raum eindeutig der NPN-Typ. Noch wichtiger ist jedoch, ob man einen Senkausgang oder einen Quellenausgang benötigt. Bei NPN-Sensoren mit Senkausgang fließt Strom in den Sensor und zu V−, während es bei PNP-Sensoren mit Quellenausgang genau umgekehrt ist.

Bei einem NPN-Ausgang wird die Last mit dem Schaltausgang und V+ verbunden; daher ist V+ der Bezugspunkt. Ändert sich der Signalstatus, schaltet der Transistor durch, Strom fließt von V+ über die Last durch den Transistor zu V−, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Beim PNP-Ausgang wird die Last mit dem Schaltausgang und V- verbunden; in diesem Fall ist also V- der Bezugspunkt.

Zum einfacheren Verständnis stellen Sie sich Sensor als Schalter vor:

Denken Sie daran: Bei einer gemeinsamen positiven Spannungsversorgung [+V], wird ein NPN-Ausgabesensor benötigt. Bei einer gemeinsamen negativen Spannungsversorgung [−V], wird ein PNP-Ausgabesensor benötigt.

So schließen Sie Sensoren korrekt an

Sensoren werden gewöhnlich unter dem Aspekt der Spannung beschrieben, die die Signalleitung abgibt, wenn der Eingang eingeschaltet wird. Ein PNP-Sensor hat ein Signal, das positiv wird, wenn der Sensor den Zustand „EIN“ signalisieren soll; ein NPN-Sensor hat ein Signal, das negativ wird, wenn er sich im Zustand „EIN“ befindet (siehe auch Beispiel unten).

PNP wird manchmal als die sicherere der beiden Optionen angesehen, da eventuelle Erdschlüsse zur Folge haben könnten, dass NPN-Sensoren ein falsches Schaltungssignal geben.